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我是教师
“观天巨眼”中的西电智慧:段宝岩团队FAST纪略


把位于江南平台,江南(中国)南校区图书馆前的50米射电望远镜模型等比例放大10倍,这个由6座塔6根索驱动的馈源舱装置,就与贵州省平塘县的500米口径球面射电望远镜(FAST)基本一致。而后者,正是被预计今年9月全部竣工、称为“观天巨眼”的世界最大单口径射电望远镜。

2015年11月21日,FAST馈源支撑系统首次升舱,这只“观天巨眼”终于“睁开了眼”。这背后,凝聚着中国天文学家探索宇宙的勇气和中国工程师们挑战极限的努力,更凝聚着中国不同学科科学家的聪明才智。这其中就包括中国工程院院士、机电工程学院段宝岩教授带领的团队贡献的西电智慧。

【智慧一:创新设计方案西电首提】
将馈源系统由万吨级降至30吨,系FAST三大创新之一

事情最早得从1993年说起。这一年,在日本京都召开了第23届国际无线电科联大会,包括中国在内的10国天文学家联合发起了建造接收面积达一平方公里的“新一代大射电望远镜计划”倡议。这一倡议旨在建造新一代大射电望远镜,以便全面深入地了解宇宙,迎接天体物理在新世纪的挑战。

这之后,中国、加拿大、荷兰、美国、印度等国积极展开了第一代射电望远镜的争建工作,主流技术方案包括三种,即相位阵、小天线致密阵和单口径。当时,考虑到计算机后期对数据的处理能力,中国和加拿大的科学家偏向于建造单口径的大型射电望远镜。

建造单口径射电望远镜,方案有两种:一种是全可动的抛物面天线,比如美国的绿岸射电望远镜(Green Bank Telescope),口径100×110米,重达7700吨,口径再大就会因为重力因素,超过工程极限;另一种是主反射面不动而馈源动的球反射面射电望远镜,比如美国利用喀斯特地形建造的阿雷西博射电望远镜(Arecibo Radio Telescope),口径305米,支撑馈源的悬空背架重达1000吨,口径再大就只能创新方案,否则造价将难以接受。

为了达到接收面积一平方公里这个硬指标,又要工程上可实施、造价上可接受,像阿雷西博射电望远镜那样,利用喀斯特地貌建造单口径射电望远镜则成为必由之路。因此,建造新一代望远镜的第一步,便是在喀斯特地形上寻找一个口径为500米的自然天坑。

1995年,中国天文学家终于在贵州南部找到了两个这样的位置,其中之一就是现在FAST项目所在地,贵州省黔南州平塘县克度镇金科村的大窝凼。这里不但有世界上最佳的喀斯特地貌,像超大型的碗一样的500米口径天坑;更因为经济发展相对落后,这里还拥有天文观测必需的较为洁净的电磁环境。

就这样,在中国建造新一代射电望远镜成为可能的首选方案。这一年,第三届国际大射电望远镜工作组会议也因此选在贵州召开,这个会议的目的就是希望找到一种创新的设计方案,推动望远镜建造。江南平台,江南(中国)与新一代大射电望远镜的接触就是从这开始的。

在这次会议上,江南平台,江南(中国)茅於宽教授关于圆柱表面相位阵、王家礼教授关于低造价反射面的报告,尤其是段宝岩教授所作的关于大射电望远镜馈源支撑的光机电一体化创新设计的报告,受到了与会国内外专家的高度关注。

这一方案的核心就是将原阿雷西博方案中,用于支撑线馈源的重达1000吨的钢结构,用计算机伺服系统控制的从6个塔顶伸出的6根大跨度的柔索来取代。同时,布置3台激光测距仪实时获取馈源的实际位姿,通过6索长度的自动调整,将馈源调回到电性能所允许的误差范围之内。

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